区块链技术

资料来源：国海证券研究所

与区块链技术一起名声大噪的莫过于比特币， 也正因为区块链经常与比特币一起出现，所以很多人容易将两者混淆，更有甚者认为区块链就是比特币。事实上，比特币只是区块链技术的一个具体应用，区块链不仅可应用于比特币等数字货币，还可以应用于所有数字化的领域，数字货币也不一定应用区块链技术，我国央行相关人员多次指出“法定数字货币未必使用区块链技术，区块链只是央行数字货币备选的底层技术之一”。

从形式上看，区块链(Block Chain)是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构。每个区块(Block)主要包含三个部分:1) 数据信息，具体的信息类型与区块链协议规定相关。例如，在比特币系统中是转 账信息，包括付款人、收款人、比特币数量等。2)哈希值2，表明区块内包含的 所有信息。3)哈希指针，包含上一个区块的哈希值，表明上一个区块的信息。 哈希指针可以将区块一个个连接起来形成“区块链”。

从技术本质上看，区块链可以理解为一个由多个节点共同维护、能够系统运转的 数据库储存系统。它是多种技术的集大成者，包括去中心化技术(P2P 网络技 术和分布式存储)、信息加密技术(密码学哈希函数和非对称加密技术)、共识机制(拜占庭容错算法、工作量证明机制、权益证明机制)等。

P2P 网络是区块链实现去中心化的基础，解决了节点与节点之间数据传输的问题。P2P 网络(Peer-to-peer networking)又称对等网络，是一种在对等者(Peer) 之间分配任务和工作负载的分布式应用架构。

根据网络中不同节点之间如何建立连接通道，P2P 存在四种不同的模式，不同 的区块链应用可能采用不同的模式，具体分为：集中式、纯分布式、混合式、 结构化模式。

 1)集中式P2P 网络是指存在一个中心节点保存了其他所有节点的索引信息，但数据传输无需经过中央服务器，可以直接点对点传输。例如，MP3 共享软件Napster 就使用这种P2P系统，Napster 存在一个中央索引服务器保存所有用户上传的音乐文件索引和存放位置信息，当某个用户A需要某个音乐文件时，首先在Napster中央服务器进行检索，检索到存有该文件的用户B 后，A可以请 求B 直接将文件传输给A。

2)纯分布式P2P 结构式不存在中央服务器或中心节点，节点之间建立随机网络。 数据传输时，某节点将信息传送给相邻节点，以此类推，以扩散的形式在网络中蔓延，直至传送到另一节点。比特币区块链即使用的这种P2P 系统。

3)混合式P2P网络将集中式和分布式结构混合，网络中存在多个超级节点组成分布式网络，每个超级节点式则由多个普通节点与其组成局部的集中式网络。从Libra 发布的白皮书可以推断，Libra 即使用这种P2P系统。

4)结构化P2P网络是指所有节点按照某种结构有序组织，如环网网络和树状网络。

非对称加密技术可以用于身份验证。非对称加密又称公钥加密，与对称加密只有一个密钥(该密钥可以加密也可以解密)相比，非对称加密具有两个密钥:公开密钥和私有密钥。公钥和私钥是一对，如果用私钥加密，只有对应的公钥才能解密。公钥是公开的，可以表示节点的身份，发送者在发送信息时用私钥将信息加密，接收者收到信息后，用公钥进行解密，即可确认发送者的身份。

共识机制是区块链技术的核心问题。目前，主流区块链的共识机制主要有 三种，分别为拜占庭容错机制、工作量证明、权益证明。

实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)，可以保证系统中的恶意节点不超过1/3， 即可达成共识。其基本思想为各节点收到其他节点发送来的信息后，并不立即根 据多数做出判断，而是将收到的信息再传给其他节点，通过信息交换做出一致决 定。在这种情况下，只要系统中恶意节点不超过1/3，则能解决拜占庭将军问题， 即当超过2/3 的节点宣布储存的信息一致时，即可实现共识。

工作量证明(Proof of Work，简称PoW)由比特币引入，可以保证恶意节点 不超过51%即可达成共识，是目前区块链最经典、也是最久经考验的共识机制。在比特币区块链中，区块中包含一定量的币基，既率先找出随机数的节点通过验证后，即可获得区块中的新币奖励。 由于这个过程与挖金矿有相似之处，因此使用PoW 机制的数字货币的产生过程 被称形象地称为“挖矿”。

整条区块链的共识遵循最长链原则，只有最长链上的交易能够得到确认，也就是包含的工作量最大的那条区块链。

权益证明机制(Proof of Stake，简称PoS)是对PoW 机制的改进，与节点需要做计算工作证明不同，PoS 按照各节点拥有的密码货币的数量和时间竞争记账权。